电力电子 多电平技术

FlexibleACtransmissionSystemFACTS 灵活交流输电系统或柔性交流输电系统 多电平技术概念最早由日本长冈科技大学的A Nabae等人在1980年IAS年会上提出来 目前已经成为电力电子学中 以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域 多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将低压的功率开关器件连接在一起 实现了高电压 大容量 多电平变换技术已经在有源电力滤波器 高压直流变换和功率因数校正等方面取得了成功的应用 4 2多电平技术 每个功率器件仅仅承受单级电压 所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出 且无需均压电路 P102电平数的增加 改善了输出电压波形 减小了输出电压波形畸变 输出电压谐波含量降低 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同THD的输出电压波形 因而开关损耗小 效率高 无需输出变压器 减少了系统的体积和损耗 4 2 1多电平技术的优点 二极管箝位型多电平变流器电容箝位型多电平变流器级联型变流器 4 2 2多电平技术的电路结构 4 2 3二极管箝位型多电平变流器 图中 两个串联的电容C1和C2把直流总线电压分成3个等级 其中两个电容的中点n定义为零点电压 输出端Van有三个状态 Vdc 2 0 Vdc 2 对应于Vdc 2状态 开关S1和S2导通 对应于 Vdc 2状态 开关S1 和S2 导通 对应于0状态 S2和S1 导通 P102特点 任意时刻控制导通的器件数是桥臂器件数的一半 此例桥臂器件4个 每次控制2个 优点 绝对不会形成电源通过桥臂短路 所以不用设死区时间 三电平二极管嵌位逆变器 4 2 3二极管箝位型多电平变流器 二极管嵌位逆变器 五电平二极管嵌位逆变器P105 4 2 3二极管箝位型多电平变流器 设中点n为输出相电压的参考点来说明阶梯波电压的合成 在a点和n点间有五种开关模式的组合来合成五电平 1 对应于Van Vdc 2 导通S1 S4 2 对应于Van Vdc 4 导通S2 S4和S1 3 对应于Van 0 导通S3 S4 S1 和S2 4 对应于Van Vdc 4 导通S4和S1 S3 5 对应于Van Vdc 2 导通S1 S4 四组互补的开关存在于每一相中 互补开关被定义为 当其中的一个开关导通时另一个开关就截止 反之亦然 上例中 四组互补开关为 S1 S1 S2 S2 S3 S3 S4 S4 4 2 3二极管箝位型多电平变流器 二极管箝位多电平变流器的缺点 P1061 需大量二极管 大大提高了成本 安装困难 实际应用仅限于7电平或9电平 2 器件负荷不一致 电流等级不同 3 单变流器难以控制用功功率 4 电容电压不平衡 增加了控制的复杂度和难度 4 2 3二极管箝位型多电平变流器 二极管箝位多电平变流器的元件 P105设变流器的电平数为m 则 1 需分压电容 m 12 每相开关元件 2 m 1 3 每相二极管 m 1 m 2 4 2 4电容箝位型多电平变流器 此电路又被称为飞跨 悬浮 电容逆变器 独立的嵌位电容使每个逆变单元的电压被嵌制在一个电容电压 图中a点和n点间输出三电平 Van Vdc 2 0 或 Vdc 2 P1061 对应于Vdc 2状态 开关S1和S2导通 2 对应于 Vdc 2状态 开关S1 和S2 导通 3 对应于0状态 S1 S1 导通 或者 S2 S2 导通 当 S1 S1 导通时 电容C1被充电 当 S2 S2 导通时 电容C1放电 电容C1被充电可由适当选择0状态开关组合来实现 三电平电容嵌位逆变器 4 2 4电容箝位型多电平变流器 电容嵌位五电平逆变器 它的电压合成比二极管方式更具有灵活性 Van可有以下开关组合方式合成 1 对应于Van Vdc 2 导通S1 S4 2 对应于Van Vdc 4 则有3种组合方式 a 导通S1 S2 S3 S1 b 导通S2 S3 S4 S4 c 导通S1 S3 S4 S3 3 对于Van 0 则有6种组合方式 d 导通S1 S2 S1 S2 e 导通S3 S4 S3 S4 f 导通S1 S3 S1 S3 g 导通S1 S4 S2 S3 h 导通S2 S4 S2 S4 i 导通S2 S3 S1 S4 4 对应于Van Vdc 4 则有3种组合方式 5 对应于Van Vdc 2 导通S1 S4 五电平电容嵌位逆变器P106 4 2 4电容箝位型多电平变流器 电容箝位多电平变流器的元件 P106设变流器的电平数为m 则 1 需分压电容 m 12 每相开关元件 2 m 1 3 每相箝位电容 m 1 m 2 2 4 2 4电容箝位型多电平变流器 电容箝位型多电平变流器的缺点 P1071 需大量电容 电容体积大 成本高 封装难 2 器件负荷不一致 电流等级不同 3 控制用功功率时 开关频率高 开关损耗大 4 为使电容充放电保持平衡 增加了系统控制的复杂度 4 2 5级联型多电平变流器 级联型逆变器 具有独立直流电源的级联型逆变器最初应用在电机驱动领域 每个全桥单元需要一个绝缘的和独立的直流电源 级联的逆变器适用于所有的功率状况 特别是中压系统 在线性功率串并联状态下 与传统的PWM控制的逆变器相比 此逆变器的比较优势是低成本 高性能 低电磁干扰 EMI 高效率等优点 4 2 6多电平技术的矢量控制P107 五电平逆变器的电压矢量图 多电平技术的一大优点是矢量合成的优越性利用电压空间矢量定义式 可得到N电